一种磁纳米粒子靶向递送诊疗系统线圈结构设计方法与流程

本发明属于医疗磁性辅助诊断，具体涉及一种磁纳米粒子靶向递送诊疗系统线圈结构设计方法。

背景技术：

1、磁纳米粒子（magnetic nanoparticles，mnps）由于其颗粒尺寸小，一般为纳米级，材料一般为对人体无毒无害的fe3o4或γ-fe2o3，因此广泛应用于生物医学及其他科学领域，是医学成像、诊断和治疗的有效工具。其主要应用方式之一是利用自身的磁性在外磁场作用下实现靶向递送，运动并聚集滞留于靶标处。

2、目前，外磁场主要采用在被检体靶标部位外加永磁铁或电磁铁的方式，使磁纳米粒子在靶标部位靶向聚集沉淀。磁铁结构一般分为单极式和双极式两种，常采用单极式结构，即在被检体靶标部位的一侧加磁极。将磁体安排在被检体体表部位，它会在靶标附近形成具有一定强度和梯度的磁场，当磁纳米粒子受到外磁场作用时，会在磁场力的作用下产生定向移动，聚集并滞留在靶标内。

3、然而，采用永磁铁或电磁铁构建的外磁场，受永磁铁材质、大小等方面的影响，其产生的磁场强度和梯度比较固定，无法进行调节，且因为大型永磁铁容易对外附铁磁性物体进行强力吸引，容易发生事故，存在一定的安全隐患。而且，最重要的是其产生的磁场强度随距离增大而迅速衰减，只能适用于被检体表层靶标区域检测。此外，受电磁铁结构、通电电流、体积大小等方面的影响，虽然其产生的磁场强度可调，但总体偏小。

4、同时，用于体外磁场构建的永磁铁或电磁铁在考虑安全性的前提下，均具有磁场强度相对较小，在被检体深度方向衰减较大，有效覆盖深度小，场强、梯度不便调节等特点。此外，靶区尺寸与磁铁大小、形状、结构等直接相关，而磁铁大小、形状和结构又直接决定磁铁的磁场大小和磁场的覆盖范围。要想获得精准的微小靶区，则磁铁的大小或形状结构的有效面积应该与之匹配，但较小的磁铁尺寸所形成的磁场覆盖区域和磁场强度也相对较小。所以对于永磁铁和电磁铁而言，靶区尺寸与磁场强度和磁场覆盖范围不可兼得。此外，为了提高磁场作用效果，一般均采用不同形状的磁靴来与被检体接触；这使得在对不同形状的被检体进行磁纳米粒子靶向递送时，需根据具体情况，设计不同的磁靴形状、磁铁大小、磁铁材质或结构来满足不同的诊疗需求，导致整体系统通用性差，适用范围窄，基本属于定制化产品，并且只适用于被检体体表或近体表处磁纳米粒子的靶向递送。故有必要对现有的磁纳米粒子靶向递送诊疗系统的结构进行改进。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的在于提供一种磁纳米粒子靶向递送诊疗系统线圈结构设计方法，使磁纳米粒子朝指定地点的靶标区域快速运动，从而使靶标区域内的磁纳米粒子浓度明显提升，其他区域的磁纳米粒子浓度显著下降，并使磁纳米粒子在靶标区域聚集、滞留，且磁纳米粒子的聚集区域大小可调节控制；不仅可实现被检体体表及近表层区域内磁纳米粒子的靶向递送，还可实现深层结构处磁纳米粒子的靶向递送。

2、本发明的技术解决方案是：一种磁纳米粒子靶向递送诊疗系统线圈结构设计方法，包括如下步骤：

3、步骤1、预先确定靶标位置及尺寸；

4、步骤2、根据选用的磁纳米粒子参数及被检体属性，计算使磁纳米粒子靶向递送所需的磁场参数；

5、步骤3、根据步骤1确定的靶标尺寸，设计最小高度线圈的高度和结构；

6、步骤4、根据步骤1确定的靶标位置，设计线圈组合系统的结构形式；

7、步骤5、根据被检体靶标区域的体表尺寸，以及线圈结构从被检外到达靶标区域处所需通路的最大体表尺寸，设计线圈结构中空区域尺寸；

8、步骤6、根据步骤2确定的磁场参数，设计线圈结构轴向高度、半径方向宽度、其余线圈高度、通电电流以及线圈个数，使线圈结构产生的磁场强度和梯度满足磁纳米粒子靶向递送要求；

9、步骤7、组装线圈结构，并将被检体置于线圈组合系统的中空区域，将线圈组合系统的靶区对准步骤1确定的靶标区域，将磁纳米粒子注入被检体；

10、步骤8、给线圈组合系统通电，产生磁纳米粒子体外靶向递送磁场，使磁纳米粒子在体外靶向递送磁场的作用下产生定向移动；当采用等高度线圈组合结构时，搭配线圈逐级关断方式，使磁纳米粒子以最高效的靶向递送方式精准聚集于微小靶标区域处。

11、所述步骤1，采用成像诊疗手段对被检体进行诊断，确定靶标的具体位置及尺寸。

12、所述步骤2具体实现如下：

13、步骤21、根据实际靶向递送时所要求的磁纳米粒子靶向递送效率，将磁纳米粒子的运动速度带入流体粘滞阻力方程，计算流体粘滞阻力，流体粘滞阻力方程为：

14、 fs= 3 πηdh vp

15、其中， fs为流体粘滞阻力； η为被检体内流体粘度； dh为磁纳米粒子的流体力学直径； vp为磁纳米粒子的运动速度；

16、步骤22、当磁纳米粒子做匀速运动时，磁场力与流体粘滞阻力相等，因此，将流体粘滞阻力带入磁场力计算公式可得磁纳米粒子靶向递送时所需的磁场强度及梯度，磁场力方程为：

17、 fs= fm= vp m·▽ b

18、其中， fm为磁场力； vp为磁纳米粒子体积； m为单位体积磁纳米粒子的磁化强度；▽ b为磁场梯度；

19、为使磁场力最大，使磁纳米粒子处于饱和磁化状态，由磁纳米粒子的饱和磁化强度和磁化率可计算得出磁纳米粒子靶向递送时所需的磁场强度：

20、 m=χp h

21、其中，χp为磁纳米粒子磁化率； h为磁场强度。

22、所述步骤3，最小高度线圈正对靶标区域放置，当靶标区域在线圈结构轴向方向上的尺寸小于8.5mm时，可采用单个线圈作为最小高度线圈，此时最小高度线圈个数 n1=1，当靶标区域在线圈轴向方向上的尺寸大于8.5mm时，可采用多个等高度线圈代替单个线圈作为整个线圈组合系统的最小高度线圈，此时，多个等高度线圈的整体高度仍为线圈组合系统中最小高度线圈的高度；

23、最小高度线圈的高度 h为：

24、 h=（ c+1.58）/0.67

25、其中， c为靶标区域在线圈结构轴向方向上的尺寸，单位mm；

26、最小高度线圈的线圈个数 n1为：

27、。

28、所述步骤4，当被检体中存在多处靶标区域和/或靶标区域尺寸大于20mm时，线圈组合系统的结构形式设计为等高度线圈组合结构，线圈组合系统中每个线圈的高度均为最小高度线圈高度 h；搭配线圈逐级关断的方式，详见步骤8；

29、当靶标区域位于被检体上/下边缘位置时，线圈组合系统的结构形式设计为高度渐变式线圈组合结构，最小高度线圈正对靶标区域放置，其余线圈的高度依次逐渐增大，具体详见步骤63；线圈结构从上至下每个线圈的高度逐渐增大或逐渐减少；

30、当靶标区域位于被检体的中间部位时，线圈组合系统的结构形式设计为中心对称式线圈组合结构，最小高度线圈置于线圈组合系统的中间，上、下两侧其余线圈高度呈对称分布状态，且均大于最小高度线圈的高度，具体详见步骤63；

31、当靶标区域位于被检体的中心偏上或中心偏下区域时，线圈组合系统的结构形式设计为中心偏移式线圈组合结构，即中心对称式线圈组合结构中的最小高度线圈往靶标区域一侧偏移。

32、所述步骤5，测量被检体靶标区域的体表直径 a及从被检体外到达靶标区域必经路径上被检体体表的最大直径 b，带入下式，计算得出线圈结构中空区域的尺寸；

33、

34、其中，φ为线圈结构中空区域直径，单位mm； a为被检体靶标区域体表直径，单位mm； b为线圈结构从被检体体外到达靶标区域必经路径上被检体体表的最大直径，单位mm。

35、所述步骤6具体实现如下：

36、步骤61、设计线圈结构轴向高度；线圈组合系统轴向高度应确保线圈组合系统产生的有效磁场覆盖整个被检体，且线圈结构产生的磁场强度和梯度满足步骤2的要求；

37、线圈组合系统轴向高度 l表示为： l≥ p/1.18；

38、其中， l为线圈组合系统轴向高度，单位mm； p为被检体在线圈结构轴向方向上的长度，单位mm；

39、当 l= p/1.18时，满足有效磁场覆盖整个被检体的要求，若此时磁场强度和梯度不满足步骤2要求，则可增大线圈组合系统轴向高度，使 l> p/1.18，直至磁场满足要求为止；具体的线圈结构轴向高度 l值确定详见步骤65；

40、步骤62、设计线圈结构半径方向宽度；根据所需磁场强度，设计线圈结构半径方向宽度，线圈结构中的每个线圈半径方向的宽度均一致；对于常规被检体，线圈半径方向的宽度小于200mm；

41、步骤63、设计其余线圈高度；线圈组合系统中除最小高度线圈外，其它线圈均为其余线圈；

42、对于等高度线圈组合结构，其余线圈高度等于最小高度线圈的高度 h，即线圈组合系统中所有线圈的高度均为 h；

43、对于高度渐变式线圈组合结构，其余线圈的高度成等差数列排布，差值取值范围为5mm～30mm；

44、对于中心对称式线圈组合结构，当最小高度线圈上下两侧的其余线圈高度均相等时，其余线圈高度比最小高度线圈的高度高5mm；当最小高度线圈上下两侧的其余线圈高度变化时，单侧其余线圈的高度成等差数列排布，差值取值范围为5mm～30mm，外侧线圈高度大；

45、对于中心偏移式线圈组合结构，最小高度线圈上下两侧的其余线圈高度与中心对称式线圈组合结构中其余线圈高度的排布方式一致，中心偏移侧与对侧相比，外侧少几个线圈；

46、步骤64、设计线圈结构通电电流；通电电流为线圈结构缠绕制作时所使用线径允许通过的最大安全电流，以确保磁场强度；此外，还应注意确保线圈结构中每个线圈的安匝数均相同，使线圈与线圈之间的磁场平滑过度；

47、步骤65、设计线圈个数；线圈个数 n为线圈组合系统中所有线圈的个数，包括最小高度线圈个数 n1和其余线圈个数 n2；线圈个数应结合线圈组合系统轴向高度、最小高度线圈高度以及线圈结构形式和其余线圈高度进行设计，同时应满足步骤2对磁场强度和梯度的需求；

48、 n= n1+ n2

49、最小高度线圈个数 n1的确定详见步骤3；

50、其余线圈个数 n2的确定：

51、①若线圈组合系统轴向高度 l减去最小高度线圈高度 h小于等于0，则其余线圈个数 n2为0；

52、②否则，用其差值减去线圈骨架厚度△，再减去根据线圈结构形式确定的与最小高度线圈临近的一个其余线圈高度 a i，若其差值小于等于0，则其余线圈个数 n2= n2+ 1，最终得到其余线圈个数为 n2；若其差值大于0，则其余线圈个数 n2= n2+ 1，并继续重复②的操作判断，直至差值小于等于0为止；

53、若此时线圈组合系统所产生的磁场不符合要求，则继续增加其余线圈个数，直至线圈组合系统所产生的磁场满足要求为止；

54、根据线圈个数调整后的线圈组合系统轴向高度 l最终确认为：

55、。

56、所述步骤7具体实现如下：

57、步骤71、将所有线圈按照线圈结构形式同轴排列，相邻线圈之间只保留线圈骨架厚度，并根据每个线圈的缠绕方向进行接线，使每个线圈产生的磁场方向均相同；

58、步骤72、将被检体置于线圈组合系统的中空区域，将最小高度线圈的轴向中心位置对准步骤1中成像诊疗手段确定的靶标区域中心；

59、步骤73、将磁纳米粒子注入被检体。

60、所述步骤8，给线圈组合系统的所有线圈均通电，使其产生磁纳米粒子靶向递送所需的体外磁场；但当线圈组合系统的结构形式选用等高度线圈组合结构时，在所有线圈均通电，将磁纳米粒子有效聚集于当前靶区后，采用线圈逐级关断的方式，从远离靶区处开始逐个关断线圈通电电流，直至最后只保留靶区处的最小高度线圈通电（由外向内，或从左到右，或从右到左的方式），使磁靶向线圈结构的靶区尺寸逐步缩小，磁纳米粒子以最高效的靶向递送方式精准聚集于微小靶标区域处，实现了线圈结构靶区范围的动态变化和磁纳米粒子在微小靶标区域的快速精准聚集。

61、本发明的有益效果：一种磁纳米粒子靶向递送诊疗系统线圈结构设计方法采用中空的多个窄线圈同轴排列，相邻线圈之间只保留线圈骨架厚度，通过成像诊疗手段确定的靶标区域尺寸及位置，设计最小高度线圈和线圈结构形式，并根据被检体尺寸及磁纳米粒子靶向递送所需的磁场强度及梯度，设计线圈结构中空区域尺寸、轴向高度、半径方向宽度、其余线圈高度、通电电流及线圈个数的方式，使线圈结构产生的有效磁场既满足磁纳米粒子靶向递送所需的磁场参数条件，又可有效覆盖被检体，从而实现被检体中磁纳米粒子的靶向递送和在靶标区域的聚集与滞留。并且，还具有以下优点：

62、（1）通过调节最小高度线圈的高度，即可实现磁纳米粒子聚集区域尺寸的设计，轻松的实现了线圈结构靶区尺寸与被检体靶标区域尺寸的精准对应。

63、（2）其余线圈高度采用等差数列的排布方式，使线圈结构中线圈高度朝最小高度线圈方向依次变小。搭配每个线圈的安匝数均相同的激励方式，使线圈结构产生的磁场强度朝着最小高度线圈方向缓慢增大，磁场梯度逐渐减小。从而有效降低磁纳米粒子所受的磁场力，使磁纳米粒子更好的滞留于靶标区域，减小磁纳米粒子因惯性作用而增大的聚集区域尺寸，使磁纳米粒子在微小靶标区域内的聚集、滞留效果更好，磁纳米粒子聚集区的位置及尺寸与靶标区域更加贴合一致。

64、（3）通过采用磁场分布特征与磁纳米粒子在被检体内的运动轨迹更加贴合一致的线圈结构形式设计方式，可使磁纳米粒子快速朝不同位置处的靶标区域运动，提升靶向递送效率。

65、（4）等高度线圈组合结构搭配线圈逐级关断方式，可实现磁靶向线圈结构靶区尺寸的逐步缩小，使磁纳米粒子以最高效的靶向递送方式精准聚集于微小靶标区域处，实现了线圈结构靶区范围的动态变化和磁纳米粒子在微小靶标区域的快速精准聚集。

66、（5）利用中空的线圈结构将被检体置于其中，简化了线圈结构形式，使其更易于制作和操作使用，可以很容易的将线圈组合系统从被检体外移动对准至靶标区域处。

67、（6）线圈结构中空区域内的径向磁场衰减缓慢，因此可有效实现被检体深层区域磁纳米粒子的靶向递送，避免了传统磁纳米粒子递送手段因磁场梯度过大所导致的体外磁场仅能对被检体体表或近表层区域进行磁纳米粒子靶向递送的局限性。

68、（7）线圈结构通用性高，针对不同的被检体（同一被检体形状，靶标区域尺寸/位置不同；不同被检体形状，但体表最大直径尺寸相同），只需单独设计最小高度线圈或将线圈的结构形式进行重新排列，根据被检体的尺寸对线圈结构的整体高度及线圈个数进行增减即可。无需对整个线圈结构进行重新设计制作，只需对个别参数的线圈进行设计制作，将现有线圈进行重新排列组合即可，最大限度的提高了每个线圈的利用度，降低了设计制作成本。

69、（8）通过调节每个线圈的通电电流，使线圈结构中每个线圈的安匝数均相同，确保磁场平滑过度。

70、（9）所设计线圈结构简单方便，极大程度上简化了磁纳米粒子靶向递送体外磁场线圈结构的设计。在磁纳米粒子靶向递送过程中，无需移动线圈组合系统，即可使磁场靶区位置准确聚焦。设备整体更安全，提高了磁纳米粒子的靶向精准度。

71、（10）利用多个窄线圈同轴排列，相邻线圈之间只保留线圈骨架厚度的组合排布方式，不但磁场参数调节方便、灵活，适用范围更广，且更加安全可靠。通电电流在安全范围内，且可随时切断电源，断电即断磁。此外，更重要的是可有效增强磁场强度和梯度，使磁场参数满足需求的同时实现磁纳米粒子的快速靶向递送。

72、（11）通过对线圈结构轴向高度、半径方向宽度、其余线圈高度、通电电流及线圈个数进行调节，可使磁场强度和梯度满足磁纳米粒子靶向递送的要求。磁场参数调节方式更加多样化，更灵活。

73、（12）采用多线圈结构搭配不同的线圈结构形式，再辅以不同线圈高度的设计方式或线圈通电电流的逐级关断方式，可有效兼顾磁场覆盖范围、磁场强度、梯度及靶区尺寸的设计。